Установка и технология электрошлаковой сварке

Введение

Метод электрошлаковой сварки (ЭШС) был  разработан сотрудниками Института  электросварки им. Е.О. Патона в начале 50-х гг. ХХ в. ЭШС является одной  из разновидностей сварки плавлением. Она основана на выделении тепла  при прохождении электрического тока через жидкий шлак, за счет чего расплавляются кромки свариваемых деталей и присадочный металл, а также поддерживается высокая температура расплава. 

Основные  схемы электрошлаковой  сварки 

ЭШС вначале  рассматривалась только как способ сварки вертикальных швов, обеспечивающий более высокую производительность по сравнению с ручной и многослойной автоматической сваркой в нижнем положении.  

Однако  уже первые производственные результаты показали, что электрошлаковая сварка открывает большие возможности  в производстве тяжелого металлургического, кузнечно-прессового и другого оборудования. Впервые электрошлаковую сварку осуществил в 1949 г. Г.З. Волошкевич, которому в 1956 г. было выдано авторское свидетельство на данный способ соединения металлов. Наилучшие условия для шлаковой ванны получаются при вертикальном расположении оси шва. Поэтому электрошлаковый процесс применяется обычно в сочетании с принудительным формированием шва. Основные схемы процесса приведены на рис. 12. На первом этапе развития ЭШС выполнялась одним проволочным электродом.  

Применение  двух, трех и более электродов позволило  в несколько раз увеличить  толщину свариваемых листов. Колебание  электродов в направлении толщины  металла, то есть поперек шва, позволило  резко увеличить толщину свариваемых листов при том же количестве электродов. Способ сварки плавящимся мундштуком был разработан в середине 50-х годов ХХ века. Он значительно расширил область применения ЭШС.  

Появилась возможность сваривать прямолинейные  стыки большой толщины, стыки  с неровной или необработанной поверхностью, стыки, расположенные в труднодоступных местах, швы сложного профиля. Форма плавящегося мундштука определяется конфигурацией свариваемого стыка. Материал мундштука должен быть подобен основному. Толщина пластин мундштука обычно находится в пределах 4–20 мм.  

Разработано несколько видов ЭШС электродами  большого сечения:

сварка  пластинчатыми электродами;

контактно-шлаковая сварка;

сварка (наплавка) ленточными электродами. 

Наибольшее  применение этот способ ЭШС получил  при изготовлении изделий из аустенитных, жаропрочных и других сплавов, титана, алюминиевых сплавов, меди при высоте свариваемого стыка до 1 м.  
 
 

Сущность  способа 

Расплавленные флюсы образуют шлаки, которые являются проводниками электрического тока. При этом в объеме расплавленного шлака при протекании сварочного тока выделяется теплота. Этот принцип и лежит в основе электрошлаковой сварки (рисунок 1). Электрод 1 и основной металл 2 связаны электрически через расплавленный шлак 3 (шлаковая ванна). Выделяющаяся в шлаковой ванне теплота нагревает его выше температуры плавления основного и электродного металлов. В результате металл электрода и кромки основного металла оплавляются и ввиду большей плотности металла, чем шлака, стекают на дно расплава, образуя ванну расплавленного металла 4 (металлическую ванну).

Электродный металл в виде отдельных капель, проходя через жидкий шлак, взаимодействует  с ним, изменяя при этом свой состав. Шлаковая ванна, находясь над поверхностью расплавленного металла, препятствует его взаимодействию с воздухом. При правильно подобранной скорости подачи электрода зазор между торцом электрода и поверхностью металлической ванны остается постоянным. 

Свариваемый металл, шлаковая и металлическая  ванны удерживаются от вытекания  обычно специальными формирующими устройствами подвижными или неподвижными медными ползунами 5, охлаждаемыми водой б, или остающимися пластинами. Верхняя кромка ползуна располагается несколько выше зеркала шлаковой ванны. Кристаллизующийся в нижней части металлической ванны расплавленный металл образует шов 7. Шлаковая ванна, находясь над поверхностью металлической ванны, соприкасаясь с охлаждаемыми ползунами, образует на них тонкую шлаковую корку, исключая тем самым непосредственный контакт расплавленного металла с поверхностью охлаждаемого ползуна и предупреждая образование в металле шва кристаллизационных трещин. 

Расход  флюса при этом способе сварки невелик и обычно не превышает 5% массы наплавленного металла. Ввиду  малого количества шлака легирование  наплавленного металла происходит в основном за счет электродной проволоки. Доля основного металла в шве может быть снижена до 10 ... 20%. Вертикальное положение металлической ванны, повышенная температура ее верхней части и значительное время пребывания металла в расплавленном состоянии способствуют улучшению условий удаления газов и неметаллических включений из металла шва. По сравнению со сварочной дугой шлаковая ванна - менее концентрированный источник теплоты. Поэтому термический цикл электрошлаковой сварки характеризуется медленным нагревом и охлаждением основного металла. Отклонение положения оси свариваемого шва от вертикали возможно не более чем на 150 в плоскости листов и на 30 ... 450 от горизонтали. 

Так как  выделение теплоты в шлаковой ванне происходит главным образом в области электрода, максимальная толщина основного металла, свариваемого с использованием одной электродной проволоки, обычно ограничена 60 мм. При сварке металла большей толщины электроду в зазоре между кромками сообщают возвратно-поступательное движение (до 150 мм) или используют несколько неподвижных или перемещающихся (рисунок 2) электродов. В этом случае появляется возможность сварки металла сколь угодно большой толщины. 
 

Техника сварки 

Электрошлаковый процесс устойчиво протекает  при плотностях тока около 0,1 А/мм2 (при  дуговой сварке порядка 20 ... 30 А/мм2). Поэтому возможна замена проволочных  электродов на пластинчатые (рисунок 3) или ленточные электроды. Однако если невозможно использование механизма подачи пластинчатых электродов (недостаток места над изделием и др.) и при сварке изделий сложного сечения (пластинчатый электрод должен быть неподвижен) для компенсации недостатка металла для заполнения пространства между электродами и кромками основного металла, используют способ сварки плавящимся мундштуком. В этом случае пластинчатый электрод по форме может повторять форму свариваемых кромок и быть составным. 

а - тремя  электродами (стрелками указанно возможное  возвратно-поступательное движение электродов); б - десятью неподвижными электродами 

Схемы процесса многоэлектродной электрошлаковой  сварки

Схема электрошлаковой сварки пластичным электродом 

а - общий  вид; б - положение составного пластинчатого  электрода в зазоре свариваемого стыка

Схема электрошлаковой сварки плавящимся мундштуком

Токоподвод  к электродной проволоке осуществляется через скользящий контакт с пластинчатым расплавляющимся электродом (мундштуком). Один из приемов наплавки плоских  поверхностей показан на рис.5, а. При электрошлаковой контактной стыковой сварке (рис.5, б) стержней различного поперечного сечения после образования металлической ванны требуемого объема происходят выключение сварочного тока и осадка верхнего стержня. Этим способом можно приваривать стержни к плоской поверхности.

Схемы электрошлаковой наплавки (а); и контактной электрошлаковой сварки (б) 

Примечание. На рисунке 5 стрелками обозначено: 

А - направление  перемещения формирующего ползуна; 

Б - возвратно-поступательные движения электродов; 

В - направление  подачи стержня в шлаковую ванну 

Число электродных проволок, их диаметр  и сечение пластинчатых электродов или плавящихся мундштуков, скорость, их подачи и другие параметры выбирают таким образом, чтобы получить скорость и напряжение сварки, обеспечивающие устойчивость процесса и требуемые размеры и форму шва. 

Заготовки под сварку следует собирать с  учетом усадки стыка после сварки. Для плотного прилегания ползунов и  формирующих устройств к кромкам  стыка последние зачищают от заусенцев, окалины и т.д. на ширину до 100 мм. Для вывода за пределы шва усадочной раковины в конце шва (рисунок 6) устанавливают выводные, а вывода непроваров в начале шва - входные планки, которые после сварки удаляют резкой. Для начала сварки в карман, образованный входными планками, засыпают флюс, который плавится сварочной дугой до получения шлаковой ванны требуемых размеров.

Установка выводных (а) и выходных (б) планок 

После этого дуга шунтируется шлаком, и  процесс переходит в бездуговой - электрошлаковый. Перед началом сварки можно заливать шлак, расплавленный в специальном кокиле. Для наведения электрошлаковой ванны можно использовать специальные флюсы, электропроводные в твердом состоянии. 

Оригинален  процесс сварки кольцевых швов (рисунок 7). Сварку начинают на входной планке 1. В процессе дальнейшей сварки при вращении изделия дефектный участок в начале шва 2 вырезают для замыкания шва. При замыкании шва вращение изделия прекращается и начинается перемещение сварочной установки вверх (стрелка Б на рисунке 7,б), как при обычной сварке прямолинейного шва. Замыкание шва и вывод усадочной раковины осуществляют с помощью специального кармана из пластин 3 или кокиля.  

В процессе электрошлаковой сварки металл шва  и околошовной зоны находится  длительное время при высоких температурах и подвергается значительному перегреву. В результате происходит разупрочнение сварочного соединения и снижение его ударной вязкости. Для восстановления свойств применяется последующая термообработка. Для снижения длительности пребывания металла при высоких температурах в шлаковую ванну вводят дополнительную присадку в виде порошкообразного материала (рубленая проволока с гранулами 0,2…1,6 мм) или производят соответствующее принудительное охлаждение поверхности шва и околошовной зоны водяным душем.

а - вырезка  дефектов в начале сварки; б - замыкание  шва; А - направление вращения изделия; Б - перемещение автомата 

Применение  способа электрошлаковой  сварки: достоинства  и недостатки 

Этот  способ широко используют в промышленности для соединения металлов повышенной толщины: стали и чугуна различного состава, меди, алюминия, титана и их сплавов. К преимуществам способа относится возможность сварки за один проход металла практически любой толщины, что не требует удаления шлака и соответствующей настройки сварочной установки перед сваркой последующего прохода, как при других способах сварки. При этом сварку выполняют без снятия фасок на кромках. Для сварки можно использовать один или несколько проволочных электродов или электродов другого увеличенного сечения. В результате этого достигается высокая производительность и экономичность процесса, повышающиеся с ростом толщины свариваемого металла. 

К недостаткам  способа следует отнести то, что  электрошлаковая сварка технически возможна при толщине металла более 16 мм и за редкими исключениями экономически выгодна при сварке металла толщиной более 40 мм. Основной технико-экономический эффект достигается при применении этого способа для сварки металла толщиной более 100 мм. Способ позволяет сваривать только вертикальные швы. При сварке некоторых металлов образование в металле шва и околошовной зоны неблагоприятных структур требует последующей термообработки для получения необходимых свойств сварного соединения.